宇宙的未来有(you)关背景知识

中(zhong)国是(shi)最早进行天文观(guan)测的国家之一，在殷商甲骨文里，就有许多天文观(guan)测记(ji)录。汉语“宇(yu)(yu)宙(zhou)”一词(ci)出现较早。战(zhan)国时期的尸(shi)佼在他(ta)的著作《尸(shi)子》中(zhong)就说：“上下四(si)方(fang)曰(yue)(yue)(yue)宇(yu)(yu)，往古来今曰(yue)(yue)(yue)宙(zhou)。”东(dong)汉的高诱在《淮南子·原道训》注中(zhong)也(ye)说：“四(si)方(fang)上下曰(yue)(yue)(yue)宇(yu)(yu)，古往今来曰(yue)(yue)(yue)宙(zhou)。”

中(zhong)国古代(dai)的(de)宇宙学说(shuo)(shuo)(shuo)(shuo)，有浑(hun)天(tian)(tian)(tian)(tian)说(shuo)(shuo)(shuo)(shuo)、盖天(tian)(tian)(tian)(tian)说(shuo)(shuo)(shuo)(shuo)、宣(xuan)夜(ye)说(shuo)(shuo)(shuo)(shuo)等。浑(hun)天(tian)(tian)(tian)(tian)说(shuo)(shuo)(shuo)(shuo)认为：“浑(hun)天(tian)(tian)(tian)(tian)如鸡(ji)子，天(tian)(tian)(tian)(tian)体圆如弹丸，地(di)(di)(di)如鸡(ji)子中(zhong)黄，孤居于天(tian)(tian)(tian)(tian)内，天(tian)(tian)(tian)(tian)大而地(di)(di)(di)小。大表里有水，天(tian)(tian)(tian)(tian)之(zhi)包(bao)地(di)(di)(di)，犹壳之(zhi)裹(guo)黄。天(tian)(tian)(tian)(tian)地(di)(di)(di)各乘(cheng)气而立，载水而浮。”(《张衡浑(hun)仪(yi)注》)盖天(tian)(tian)(tian)(tian)说(shuo)(shuo)(shuo)(shuo)认为：“天(tian)(tian)(tian)(tian)似盖笠，地(di)(di)(di)法覆盘。”(《晋书(shu)·天(tian)(tian)(tian)(tian)文志(zhi)》)天(tian)(tian)(tian)(tian)地(di)(di)(di)都是穹(qiong)形的(de)，如同一(yi)个(ge)同心的(de)球穹(qiong)。宣(xuan)夜(ye)说(shuo)(shuo)(shuo)(shuo)认为：“天(tian)(tian)(tian)(tian)了无(wu)质，仰(yang)而瞻之(zhi)，高远无(wu)极(ji)，眼瞀精绝，故苍(cang)苍(cang)然(ran)也。”(《晋书(shu)·天(tian)(tian)(tian)(tian)文志(zhi)》)就是说(shuo)(shuo)(shuo)(shuo)“天(tian)(tian)(tian)(tian)”不(bu)是一(yi)个(ge)固体的(de)“天(tian)(tian)(tian)(tian)穹(qiong)”，不(bu)过充满了无(wu)边(bian)无(wu)际的(de)气体，日月星辰都在这(zhei)气体中(zhong)浮动。

在西方(fang)，古希腊(la)(la)人也有多种宇宙学(xue)(xue)说(shuo)。公元前600年左右，住在米利(li)都的(de)(de)古希腊(la)(la)哲学(xue)(xue)家(jia)(jia)泰(tai)利(li)斯认为地球是(shi)一(yi)个(ge)圆盘，漂浮在一(yi)片汪洋中。他的(de)(de)弟子阿(a)那克西曼德(de)认为天(tian)(tian)(tian)(tian)空是(shi)包(bao)围(wei)地球的(de)(de)一(yi)个(ge)球层，恒星(xing)(xing)在内层，太阳(yang)和月亮在外层。毕达哥拉斯认为，地球、月亮、太阳(yang)、行星(xing)(xing)和恒星(xing)(xing)都在一(yi)个(ge)同心(xin)球上围(wei)绕中央火(huo)旋转。托勒(le)(le)密总结了古希腊(la)(la)的(de)(de)天(tian)(tian)(tian)(tian)文学(xue)(xue)成就(jiu)，著《天(tian)(tian)(tian)(tian)文学(xue)(xue)大(da)成》，认为地为球形，静止不动(dong)(dong)，处于宇宙的(de)(de)中心(xin)，其他天(tian)(tian)(tian)(tian)体围(wei)绕地球运(yun)行，创(chuang)立了“地心(xin)说(shuo)”，统(tong)治西方(fang)天(tian)(tian)(tian)(tian)文学(xue)(xue)界一(yi)千四百多年，直到波兰天(tian)(tian)(tian)(tian)文学(xue)(xue)家(jia)(jia)哥白尼在16世(shi)纪发表《天(tian)(tian)(tian)(tian)体运(yun)行论》，创(chuang)立日心(xin)说(shuo)。17世(shi)纪，意大(da)利(li)物理学(xue)(xue)家(jia)(jia)和天(tian)(tian)(tian)(tian)文学(xue)(xue)家(jia)(jia)伽利(li)略(lve)亲手制造天(tian)(tian)(tian)(tian)文望远镜，开拓了人们的(de)(de)天(tian)(tian)(tian)(tian)文视野。德(de)国天(tian)(tian)(tian)(tian)文学(xue)(xue)家(jia)(jia)开普勒(le)(le)提出了行星(xing)(xing)运(yun)动(dong)(dong)的(de)(de)三大(da)定律(lv)(lv)，英国物理学(xue)(xue)家(jia)(jia)牛顿用力(li)(li)学(xue)(xue)的(de)(de)引力(li)(li)原理解释开普勒(le)(le)的(de)(de)行星(xing)(xing)运(yun)动(dong)(dong)定律(lv)(lv)，创(chuang)立了天(tian)(tian)(tian)(tian)体力(li)(li)学(xue)(xue)。

现代宇(yu)宙学(xue)(xue)最(zui)有(you)影响的学(xue)(xue)说是(shi)大(da)爆炸宇(yu)宙学(xue)(xue)。大(da)爆炸宇(yu)宙学(xue)(xue)认(ren)为，宇(yu)宙早(zao)期(qi)温(wen)度(du)(du)极高(在(zai)100亿(yi)度(du)(du)以上)，物(wu)质(zhi)密度(du)(du)极大(da)。在(zai)那里，物(wu)质(zhi)被(bei)压缩成(cheng)一个奇点，时(shi)间和空间都毫无(wu)意义。大(da)约200亿(yi)年前，发生(sheng)“爆炸”，温(wen)度(du)(du)逐渐冷却，形成(cheng)各(ge)种各(ge)样的恒星体系，也就是(shi)我们(men)今天(tian)所能观测到的宇(yu)宙。

宇(yu)(yu)宙(zhou)大(da)爆炸(zha)学(xue)(xue)说是逐(zhu)渐形(xing)成(cheng)(cheng)的。20世纪初(chu)，爱因斯(si)坦的相对论改变了(le)科学(xue)(xue)家(jia)(jia)研究宇(yu)(yu)宙(zhou)的方法。1927年，比利时(shi)天文学(xue)(xue)家(jia)(jia)勒梅特(te)第(di)一个(ge)提(ti)出(chu)了(le)动态宇(yu)(yu)宙(zhou)模型，认为(wei)宇(yu)(yu)宙(zhou)是从一种“原始原子”不断(duan)分(fen)裂、膨胀形(xing)成(cheng)(cheng)的。他推测(ce)：如果(guo)宇(yu)(yu)宙(zhou)中物质的质量小(xiao)于(yu)某个(ge)临(lin)界值(zhi)，宇(yu)(yu)宙(zhou)就会继续膨胀下(xia)去，成(cheng)(cheng)为(wei)“开放的宇(yu)(yu)宙(zhou)”；反之，就会坍缩，成(cheng)(cheng)为(wei)“闭合的宇(yu)(yu)宙(zhou)”。1948年，出(chu)生在俄国的美籍(ji)物理(li)学(xue)(xue)家(jia)(jia)伽(jia)莫夫发(fa)展了(le)这一理(li)论，提(ti)出(chu)了(le)“大(da)爆炸(zha)”学(xue)(xue)说。

大爆炸学说得到了以下(xia)天(tian)文(wen)观(guan)测的(de)支持。(1)河(he)外星系有(you)(you)系统地谱线红(hong)移(yi)(课文(wen)中涉及)。1917年(nian)(nian)，美(mei)国天(tian)文(wen)学家斯里弗(fu)发(fa)(fa)现(xian)河(he)外星系谱线有(you)(you)系统地向红(hong)端移(yi)动(dong)，表明(ming)这(zhei)些遥远(yuan)的(de)天(tian)体正在离我们远(yuan)去。1929年(nian)(nian)，美(mei)国天(tian)文(wen)学家哈(ha)勃(bo)发(fa)(fa)现(xian)，几(ji)乎所有(you)(you)的(de)星系都有(you)(you)红(hong)移(yi)现(xian)象。星系距离越远(yuan)，红(hong)移(yi)越大。这(zhei)种(zhong)红(hong)移(yi)与距离之(zhi)间的(de)线性(xing)关(guan)系，称为哈(ha)勃(bo)定(ding)律(lv)。(2)在各种(zhong)不同的(de)天(tian)体上，氦(hai)的(de)丰度相近，大都是30％。根据大爆炸理论，早期宇宙温度很(hen)高(gao)，所以产生氦(hai)的(de)效率也很(hen)高(gao)。(3)测定(ding)各种(zhong)天(tian)体的(de)年(nian)(nian)龄(ling)，均小于200亿(yi)年(nian)(nian)。(4)宇宙微波背(bei)景辐射(she)的(de)发(fa)(fa)现(xian)。

宇宙论导引

(J.希尔克)

宇宙(zhou)论是研究宇宙(zhou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)大(da)尺度(du)结(jie)构和演(yan)化的(de)(de)(de)(de)(de)(de)学(xue)(xue)科。当我(wo)们巡视遥远的(de)(de)(de)(de)(de)(de)太空(kong)深处(chu)时(shi)，也就是在沿着时(shi)间上溯。我(wo)们所(suo)看到(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)那(nei)些最远的(de)(de)(de)(de)(de)(de)星(xing)系，是很久很久以前当它们发(fa)出的(de)(de)(de)(de)(de)(de)光开始(shi)其(qi)漫长(zhang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)太空(kong)旅行(xing)时(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)面貌。既然庞大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)星(xing)系都曾(ceng)经是年轻的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，所(suo)以宇宙(zhou)结(jie)构如何(he)产(chan)生的(de)(de)(de)(de)(de)(de)问(wen)题就同宇宙(zhou)论不可分割地联系在一起。研究宇宙(zhou)中可观测的(de)(de)(de)(de)(de)(de)结(jie)构(从巨(ju)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)星(xing)系团到(dao)太阳(yang)系)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)起源属(shu)于(yu)天体演(yan)化学(xue)(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)领域。有待查明的(de)(de)(de)(de)(de)(de)根本问(wen)题包括：宇宙(zhou)是何(he)时(shi)和怎样(yang)发(fa)端的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，星(xing)系是如何(he)形(xing)成并(bing)获得我(wo)们观测到(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)态及尺度(du)分布的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，恒星(xing)是如何(he)诞生的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，行(xing)星(xing)和生命(ming)是如何(he)演(yan)化的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，等等。

仅仅在20年前，人(ren)们(men)还没有(you)什么把握(wo)来(lai)回答(da)宇(yu)宙论(lun)和天体(ti)(ti)演(yan)化学的(de)(de)(de)这(zhei)些(xie)根本(ben)问(wen)题(ti)(ti)。我们(men)对(dui)于遥远宇(yu)宙和早(zao)期宇(yu)宙的(de)(de)(de)知识是如此贫乏，以(yi)至于好些(xie)很不相同的(de)(de)(de)宇(yu)宙学理论(lun)似(si)乎都可以(yi)解释(shi)观测资料。然而近年来(lai)天文学家们(men)作出了(le)有(you)关宇(yu)宙本(ben)性的(de)(de)(de)激动(dong)人(ren)心的(de)(de)(de)新发现，这(zhei)些(xie)发现提(ti)供了(le)压倒优势的(de)(de)(de)证据支持一种宇(yu)宙学理论(lun)，即大爆炸(zha)理论(lun)。今天，人(ren)们(men)正是在这(zhei)个理论(lun)的(de)(de)(de)框架内探索着宇(yu)宙论(lun)和天体(ti)(ti)演(yan)化学的(de)(de)(de)根本(ben)问(wen)题(ti)(ti)。

尽(jin)管大(da)(da)(da)爆炸理(li)(li)论(lun)还不能对(dui)所(suo)有(you)的(de)(de)(de)(de)重(zhong)大(da)(da)(da)问(wen)题作(zuo)出回答，但它却(que)为(wei)我(wo)们(men)勾画出了一(yi)幅(fu)宇(yu)宙(zhou)(zhou)演(yan)化的(de)(de)(de)(de)大(da)(da)(da)致轮廓。在(zai)下面几章中，我(wo)们(men)将描述(shu)那些(xie)为(wei)大(da)(da)(da)爆炸理(li)(li)论(lun)提供了证据(ju)的(de)(de)(de)(de)发现(xian)，并将追溯宇(yu)宙(zhou)(zhou)从(cong)最初时(shi)刻以(yi)来的(de)(de)(de)(de)演(yan)化。可(ke)以(yi)看到，当我(wo)们(men)试图(tu)回答宇(yu)宙(zhou)(zhou)论(lun)和天(tian)体演(yan)化学的(de)(de)(de)(de)某(mou)些(xie)基本(ben)问(wen)题时(shi)，新(xin)的(de)(de)(de)(de)问(wen)题和争议又会不可(ke)避(bi)免地(di)出现(xian)。我(wo)们(men)理(li)(li)论(lun)的(de)(de)(de)(de)许多细节仍然是不确定(ding)的(de)(de)(de)(de)。在(zai)这种情况下，我(wo)们(men)可(ke)以(yi)描述(shu)一(yi)些(xie)可(ke)供选择的(de)(de)(de)(de)假说，并指出一(yi)些(xie)方向(xiang)留待(dai)进一(yi)步的(de)(de)(de)(de)研究来判(pan)明。因此，我(wo)们(men)的(de)(de)(de)(de)讨论(lun)既包(bao)含了宇(yu)宙(zhou)(zhou)本(ben)身的(de)(de)(de)(de)过(guo)去和未来，也包(bao)含着人类(lei)为(wei)理(li)(li)解它所(suo)作(zuo)努(nu)力(li)的(de)(de)(de)(de)历史和前景。作(zuo)为(wei)开始(shi)，我(wo)们(men)要介绍一(yi)些(xie)形成任何科(ke)学的(de)(de)(de)(de)宇(yu)宙(zhou)(zhou)理(li)(li)论(lun)基础的(de)(de)(de)(de)原理(li)(li)。

1.宇宙学原理

自古以(yi)来，人类就不(bu)愿(yuan)放弃(qi)我们在(zai)宇宙(zhou)里起(qi)着中心(xin)(xin)(xin)作用的(de)(de)(de)(de)想(xiang)法。先是(shi)提(ti)出了地心(xin)(xin)(xin)宇宙(zhou)观(guan)，放弃(qi)地心(xin)(xin)(xin)宇宙(zhou)观(guan)以(yi)后又提(ti)出了日心(xin)(xin)(xin)宇宙(zhou)观(guan)。直(zhi)到(dao)20世纪人们才认识到(dao)，我们的(de)(de)(de)(de)太阳不(bu)过(guo)是(shi)处在(zai)一(yi)(yi)(yi)个(ge)(ge)(ge)普(pu)普(pu)通(tong)通(tong)星(xing)系(xi)(xi)(xi)边沿的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)颗(ke)普(pu)普(pu)通(tong)通(tong)的(de)(de)(de)(de)恒星(xing)。我们的(de)(de)(de)(de)星(xing)系(xi)(xi)(xi)是(shi)一(yi)(yi)(yi)个(ge)(ge)(ge)大(da)(da)星(xing)系(xi)(xi)(xi)团(tuan)外部的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)个(ge)(ge)(ge)松散星(xing)系(xi)(xi)(xi)群的(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)员。甚至这个(ge)(ge)(ge)星(xing)系(xi)(xi)(xi)团(tuan)(即室女座星(xing)系(xi)(xi)(xi)团(tuan))同我们在(zai)宇宙(zhou)中其他地方看(kan)到(dao)的(de)(de)(de)(de)真正巨大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)星(xing)系(xi)(xi)(xi)团(tuan)相(xiang)比，也(ye)只不(bu)过(guo)是(shi)一(yi)(yi)(yi)个(ge)(ge)(ge)毫不(bu)出众的(de)(de)(de)(de)角色而已。我们在(zai)宇宙(zhou)中的(de)(de)(de)(de)地位可(ke)以(yi)说是(shi)平(ping)凡(fan)到(dao)了极点。

这种(zhong)用(yong)(yong)最大的(de)(de)(de)(de)(de)光学(xue)望远镜观(guan)测得来的(de)(de)(de)(de)(de)知(zhi)识，给宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)学(xue)者留下了(le)一个棘手的(de)(de)(de)(de)(de)难题。我(wo)们(men)的(de)(de)(de)(de)(de)观(guan)测是从宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)一个特殊位置进(jin)(jin)行(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)，而(er)建立一个宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)学(xue)理(li)论却要求(qiu)(qiu)一般(ban)地了(le)解整个宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)中(zhong)物质(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)性质(zhi)和分(fen)布。宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)学(xue)者需要摆(bai)脱这种(zhong)令(ling)人遗憾的(de)(de)(de)(de)(de)限制，他们(men)的(de)(de)(de)(de)(de)办法是假设一个普适原理(li)，这个原理(li)要求(qiu)(qiu)宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)在我(wo)们(men)附(fu)近(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)部分(fen)同(tong)极遥远的(de)(de)(de)(de)(de)区域相比没有什么差别。有很强的(de)(de)(de)(de)(de)哲学(xue)理(li)由(you)来为(wei)这种(zhong)普适原理(li)辩护。举(ju)个例(li)来说，物理(li)学(xue)规(gui)律在全宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)中(zhong)应(ying)当是同(tong)样的(de)(de)(de)(de)(de)；因(yin)为(wei)若不如此，实验就会(hui)(hui)不可重(zhong)复，而(er)我(wo)们(men)的(de)(de)(de)(de)(de)物理(li)规(gui)律就会(hui)(hui)不成其为(wei)规(gui)律了(le)。一个更(geng)强的(de)(de)(de)(de)(de)要求(qiu)(qiu)是，大宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)应(ying)当尽可能地简(jian)单。用(yong)(yong)可以容许的(de)(de)(de)(de)(de)最简(jian)单模型来解释现(xian)象，这是物理(li)学(xue)前进(jin)(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)自然方式。不过，宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)学(xue)原理(li)也有一些不同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)说法。

1543年，哥(ge)(ge)白(bai)尼(ni)提(ti)出地球可(ke)能不(bu)(bu)(bu)(bu)是(shi)宇(yu)(yu)宙(zhou)的(de)(de)(de)(de)(de)中(zhong)心(xin)。哥(ge)(ge)白(bai)尼(ni)学(xue)说的(de)(de)(de)(de)(de)逻(luo)辑推广是(shi)应将我们的(de)(de)(de)(de)(de)银河系(xi)从任何优越的(de)(de)(de)(de)(de)空间(jian)位(wei)置挪(nuo)走。于是(shi)我们得到了近代宇(yu)(yu)宙(zhou)论的(de)(de)(de)(de)(de)重(zhong)要基石，即(ji)哥(ge)(ge)白(bai)尼(ni)宇(yu)(yu)宙(zhou)学(xue)原(yuan)理(li)。这个原(yuan)理(li)说，我们在宇(yu)(yu)宙(zhou)空间(jian)中(zhong)并不(bu)(bu)(bu)(bu)处于特(te)别优越的(de)(de)(de)(de)(de)位(wei)置。人们研究了天文底片上(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)大量星系(xi)以后发(fa)现，它(ta)们的(de)(de)(de)(de)(de)出现频率(lv)在不(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)方(fang)向(xiang)上(shang)是(shi)颇为相(xiang)似的(de)(de)(de)(de)(de)。这一迹象表明，宇(yu)(yu)宙(zhou)是(shi)局域各(ge)向(xiang)同(tong)(tong)性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)，从地球上(shang)看(kan)(kan)来(lai)，宇(yu)(yu)宙(zhou)在不(bu)(bu)(bu)(bu)同(tong)(tong)方(fang)向(xiang)上(shang)显示出相(xiang)同(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)面貌。(从中(zhong)心(xin)看(kan)(kan)一个球是(shi)各(ge)向(xiang)同(tong)(tong)性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)，而看(kan)(kan)一个鸡蛋就(jiu)不(bu)(bu)(bu)(bu)然了。)哥(ge)(ge)白(bai)尼(ni)原(yuan)理(li)要求(qiu)，宇(yu)(yu)宙(zhou)在空间(jian)任何一点(dian)周围(wei)都是(shi)各(ge)向(xiang)同(tong)(tong)性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)。矩的(de)(de)(de)(de)(de)反射应足以验证(zheng)，点(dian)点(dian)各(ge)向(xiang)同(tong)(tong)性(xing)要求(qiu)宇(yu)(yu)宙(zhou)在空间(jian)上(shang)也(ye)必须均匀(yun)。因(yin)为，如果宇(yu)(yu)宙(zhou)是(shi)非均匀(yun)的(de)(de)(de)(de)(de)，那么它(ta)只能在某些特(te)定位(wei)置上(shang)显示出各(ge)向(xiang)同(tong)(tong)性(xing)。

某些宇(yu)宙(zhou)学者(zhe)曾(ceng)试图把宇(yu)宙(zhou)学原(yuan)理(li)推(tui)广到包括沿(yan)时间(jian)(jian)不(bu)变(bian)的(de)概念。根据这(zhei)个(ge)原(yuan)理(li)，至少在(zai)最(zui)大的(de)尺度上宇(yu)宙(zhou)是永恒不(bu)变(bian)的(de)。于是，完美宇(yu)宙(zhou)学原(yuan)理(li)说，从(cong)空间(jian)(jian)和时间(jian)(jian)中(zhong)的(de)任何一(yi)点看去，宇(yu)宙(zhou)都呈现出(chu)相似的(de)面貌(mao)。由(you)这(zhei)个(ge)假设导出(chu)的(de)稳恒态宇(yu)宙(zhou)论已(yi)被观测排除。因而，宇(yu)宙(zhou)学者(zhe)一(yi)般只接受宇(yu)宙(zhou)学原(yuan)理(li)的(de)较弱的(de)形式，而我们也乐(le)于承(cheng)认，宇(yu)宙(zhou)在(zai)空间(jian)(jian)(而不(bu)是时间(jian)(jian))中(zhong)是近(jin)似均匀且各向(xiang)同性的(de)。

为(wei)(wei)了完(wan)(wan)备(bei)起见，我(wo)们(men)还(hai)得(de)(de)谈谈人(ren)择宇(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)学(xue)原(yuan)理(li)。这(zhei)个原(yuan)理(li)采取的(de)观点(dian)同完(wan)(wan)美宇(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)学(xue)原(yuan)理(li)正好(hao)相(xiang)反，宣称(cheng)人(ren)类是(shi)在一(yi)个特定(ding)(ding)时期观察(cha)着宇(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)的(de)，尽管目前(qian)的(de)宇(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)从空间任何(he)点(dian)看去显得(de)(de)一(yi)样。假(jia)设这(zhei)个特定(ding)(ding)时期是(shi)因为(wei)(wei)需(xu)要产生那些有(you)利于生命(ming)演化的(de)特殊条(tiao)件，比方说，假(jia)如宇(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)比现在炽热(re)得(de)(de)多(duo)或稠密得(de)(de)多(duo)，星(xing)系就不(bu)(bu)能形(xing)成(cheng)；假(jia)如引(yin)力的(de)强度和我(wo)们(men)的(de)观测值(zhi)大不(bu)(bu)相(xiang)同，行星(xing)系统就不(bu)(bu)能形(xing)成(cheng)，或不(bu)(bu)适合于我(wo)们(men)所知(zhi)的(de)生命(ming)形(xing)式存在。现已(yi)查(cha)明，地球(qiu)的(de)年(nian)龄(ling)和天文学(xue)家(jia)发现的(de)最(zui)老恒星(xing)或星(xing)系的(de)年(nian)龄(ling)相(xiang)仿(顶多(duo)差(cha)4倍)，这(zhei)毕竟是(shi)一(yi)个惊人(ren)的(de)符合。人(ren)择宇(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)学(xue)原(yuan)理(li)用“许可”来(lai)解(jie)释这(zhei)种相(xiang)似(si)性。宇(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)本来(lai)可以(yi)比它(ta)实际的(de)情形(xing)不(bu)(bu)规则和无序得(de)(de)多(duo)。人(ren)择宇(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)学(xue)原(yuan)理(li)断言，若是(shi)那样的(de)话(hua)，各种条(tiao)件就不(bu)(bu)能容许生命(ming)存在了。因此，作为(wei)(wei)观察(cha)者，我(wo)们(men)是(shi)生活在一(yi)个非常特殊的(de)宇(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)中(zhong)，并且这(zhei)个宇(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)必(bi)须是(shi)均匀(yun)各向(xiang)同性的(de)。“人(ren)择”是(shi)一(yi)个非常基本的(de)论据，因为(wei)(wei)它(ta)试图(tu)对哥(ge)白尼宇(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)学(xue)原(yuan)理(li)作出解(jie)释，而后者几(ji)乎是(shi)所有(you)有(you)生命(ming)力的(de)宇(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)论的(de)核心。

2.近代宇宙论

不同的(de)宇(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)宙(zhou)学原理导(dao)致迥(jiong)然不同的(de)宇(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)宙(zhou)图景(jing)。哥白尼宇(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)宙(zhou)学原理是大(da)爆(bao)(bao)炸理论(lun)的(de)基(ji)础。的(de)确，大(da)爆(bao)(bao)炸理论(lun)实(shi)际(ji)上(shang)先于宇(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)宙(zhou)膨胀的(de)发现(xian)。如果要(yao)(yao)求宇(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)宙(zhou)处处均匀各(ge)向同性，我们(men)就唯一地得出(chu)大(da)爆(bao)(bao)炸宇(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)宙(zhou)论(lun)。实(shi)际(ji)上(shang)有两种(zhong)不同的(de)大(da)爆(bao)(bao)炸宇(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)宙(zhou)论(lun)模(mo)型(xing)(xing)。按第(di)一种(zhong)模(mo)型(xing)(xing)，宇(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)宙(zhou)将永远(yuan)膨胀下去。按第(di)二种(zhong)模(mo)型(xing)(xing)，宇(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)宙(zhou)最后将重(zhong)新收缩。在这两种(zhong)模(mo)型(xing)(xing)中(zhong)(zhong)，使宇(yu)(yu)(yu)(yu)(yu)宙(zhou)趋向再收缩的(de)引力都是由初始爆(bao)(bao)炸的(de)力抗衡(heng)着，后者在永远(yuan)膨胀的(de)模(mo)型(xing)(xing)中(zhong)(zhong)相对(dui)较(jiao)强，而在注定(ding)要(yao)(yao)再收缩的(de)模(mo)型(xing)(xing)中(zhong)(zhong)相对(dui)较(jiao)弱。

按照大(da)(da)爆炸(zha)理(li)(li)(li)(li)论(lun)(lun)，宇(yu)宙(zhou)在过去(qu)一定要比(bi)现在致密得多炽热(re)得多。这个理(li)(li)(li)(li)论(lun)(lun)不符合完美(mei)(mei)宇(yu)宙(zhou)学(xue)原理(li)(li)(li)(li)，后者要求宇(yu)宙(zhou)在一切时(shi)(shi)期显示(shi)出(chu)相同的(de)(de)面貌。建立稳恒(heng)态宇(yu)宙(zhou)论(lun)(lun)就是(shi)为(wei)了(le)满(man)足完美(mei)(mei)宇(yu)宙(zhou)学(xue)原理(li)(li)(li)(li)的(de)(de)要求。这种(zhong)理(li)(li)(li)(li)论(lun)(lun)是(shi)1948年(nian)由(you)海尔曼(man)·邦(bang)迪、托马斯·哥尔德和弗雷得·霍依耳引入(ru)的(de)(de)。它(ta)(ta)假设物质不断(duan)地(di)以准确(que)的(de)(de)速率产生(sheng)出(chu)来(lai)恰好维持宇(yu)宙(zhou)中各处相同的(de)(de)平均物质密度(du)，从而预言(yan)宇(yu)宙(zhou)在一切时(shi)(shi)代都具有(you)相同的(de)(de)面貌。稳恒(heng)态理(li)(li)(li)(li)论(lun)(lun)(至少它(ta)(ta)的(de)(de)初始形式)是(shi)一个非常大(da)(da)胆的(de)(de)理(li)(li)(li)(li)论(lun)(lun)。大(da)(da)爆炸(zha)理(li)(li)(li)(li)论(lun)(lun)最薄(bo)弱的(de)(de)一环，即初始创(chuang)生(sheng)的(de)(de)时(shi)(shi)刻(ke)被暴露出(chu)来(lai)了(le)。既然大(da)(da)爆炸(zha)理(li)(li)(li)(li)论(lun)(lun)可(ke)以断(duan)言(yan)宇(yu)宙(zhou)是(shi)在遥(yao)远而有(you)限(xian)的(de)(de)过去(qu)一瞬间创(chuang)生(sheng)的(de)(de)，那为(wei)什么(me)不能同样合理(li)(li)(li)(li)地(di)断(duan)言(yan)任何(he)(he)时(shi)(shi)刻(ke)任何(he)(he)地(di)方都在发生(sheng)创(chuang)造呢(ni)?

观(guan)测证据(ju)是任何(he)理论最严格的(de)(de)仲裁者，它(ta)终(zhong)于否定了稳恒(heng)态宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)论的(de)(de)这个大胆断言。在(zai)1950年，由于进(jin)行(xing)了更精巧更有鉴别力的(de)(de)天(tian)文观(guan)测，稳恒(heng)态理论的(de)(de)提倡者逐(zhu)渐修(xiu)改(gai)了它(ta)的(de)(de)形(xing)式(shi)。因为这个理论变得越来越牵强，只剩下(xia)一(yi)些最固(gu)执的(de)(de)支持(chi)者还(hai)相信它(ta)。最后，稳恒(heng)态宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)论在(zai)1965年被宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)微波背(bei)景辐射的(de)(de)发现推翻了，这一(yi)发现为宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)早期的(de)(de)炽(chi)热阶段提供了不容置辩的(de)(de)证据(ju)。现在(zai)，稳恒(heng)态宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)论只不过是在(zai)现代宇(yu)(yu)宙(zhou)(zhou)(zhou)论发展过程中(zhong)的(de)(de)一(yi)个有相当历史意(yi)义的(de)(de)插(cha)曲而已。

虽然(ran)人们一直敦(dun)促稳(wen)恒态理(li)论(lun)的(de)(de)提出者同意宇(yu)宙(zhou)(zhou)膨胀(zhang)开始于(yu)百亿年(nian)前的(de)(de)一瞬，但关(guan)于(yu)早(zao)期(qi)宇(yu)宙(zhou)(zhou)行为的(de)(de)无(wu)数种可(ke)(ke)能(neng)(neng)的(de)(de)宇(yu)宙(zhou)(zhou)模型(xing)仍(reng)然(ran)具有活力(li)。哥(ge)白尼宇(yu)宙(zhou)(zhou)学原理(li)只能(neng)(neng)用可(ke)(ke)观测(ce)的(de)(de)宇(yu)宙(zhou)(zhou)来评判，而(er)大(da)(da)爆炸(zha)理(li)论(lun)对(dui)后者提供(gong)了极好(hao)的(de)(de)描(miao)述。不(bu)过，在宇(yu)宙(zhou)(zhou)还很年(nian)轻的(de)(de)早(zao)期(qi)，我(wo)们可(ke)(ke)以想象一种宇(yu)宙(zhou)(zhou)论(lun)和标准(zhun)大(da)(da)爆炸(zha)模型(xing)的(de)(de)均匀各向同性(xing)(xing)膨胀(zhang)非常(chang)不(bu)同。这种膨胀(zhang)是各向异性(xing)(xing)的(de)(de)：在某(mou)个优先的(de)(de)方向上迅速膨胀(zhang)而(er)同时在另外(wai)的(de)(de)方向上坍(tan)缩。或者，宇(yu)宙(zhou)(zhou)也可(ke)(ke)能(neng)(neng)是非常(chang)不(bu)均匀的(de)(de)；在较(jiao)密的(de)(de)区(qu)域可(ke)(ke)以发生局部(bu)的(de)(de)坍(tan)缩而(er)形(xing)成(cheng)黑(hei)洞(dong)。我(wo)们没有科学上的(de)(de)理(li)由偏爱简单(dan)而(er)规(gui)则的(de)(de)大(da)(da)爆炸(zha)模型(xing)而(er)讨厌宇(yu)宙(zhou)(zhou)可(ke)(ke)能(neng)(neng)有较(jiao)离奇的(de)(de)开端。这两种可(ke)(ke)能(neng)(neng)性(xing)(xing)同我(wo)们的(de)(de)物理(li)规(gui)律都(dou)不(bu)矛盾(dun)，而(er)天文观测(ce)目前也还不(bu)能(neng)(neng)鉴别它们。

尽(jin)管有(you)无(wu)数种可(ke)能的(de)(de)开端，我们还可(ke)求助于人择(ze)宇(yu)宙(zhou)学原(yuan)理(li)为宇(yu)宙(zhou)挑(tiao)出(chu)(chu)唯(wei)一(yi)(yi)的(de)(de)过(guo)去。按(an)照这条原(yuan)理(li)必须(xu)承(cheng)认标(biao)(biao)准大爆炸模(mo)型(xing)。因为，假若宇(yu)宙(zhou)以(yi)一(yi)(yi)种极不规则的(de)(de)方(fang)式演化(hua)，就(jiu)不会有(you)我们人类(lei)出(chu)(chu)现(xian)了。所有(you)那(nei)些浑沌宇(yu)宙(zhou)论经(jing)过(guo)充分长的(de)(de)时间以(yi)后，多半都会发展得不利于生(sheng)命的(de)(de)存在。只有(you)从无(wu)数种选择(ze)中挑(tiao)选出(chu)(chu)来(lai)的(de)(de)标(biao)(biao)准大爆炸模(mo)型(xing)才能提供适(shi)合(he)生(sheng)命演化(hua)的(de)(de)环境。

否认(ren)人择原理(li)的(de)(de)宇(yu)宙(zhou)学(xue)者满足(zu)于(yu)宇(yu)宙(zhou)的(de)(de)混(hun)沌(dun)起源。显然，这样的(de)(de)宇(yu)宙(zhou)反(fan)推回去要花无穷长的(de)(de)时间，因此人们可以认(ren)为(wei)这种观点只具有学(xue)院式意(yi)义。相反(fan)，求助于(yu)人择原理(li)的(de)(de)宇(yu)宙(zhou)学(xue)者选(xuan)择一(yi)种从初始至(zhi)无穷永远保持简单的(de)(de)宇(yu)宙(zhou)。选(xuan)均匀的(de)(de)宇(yu)宙(zhou)还(hai)是(shi)选(xuan)早期混(hun)沌(dun)的(de)(de)宇(yu)宙(zhou)，取开模(mo)型(xing)还(hai)是(shi)取闭模(mo)型(xing)，这乃(nai)是(shi)现(xian)代宇(yu)宙(zhou)论面(mian)临的(de)(de)主要决择。

3.大爆炸

大爆(bao)炸理论揭示了(le)宇宙(zhou)(zhou)(zhou)演化(hua)的(de)(de)(de)(de)壮阔(kuo)景象。宇宙(zhou)(zhou)(zhou)膨(peng)胀(zhang)(zhang)大约开始于200亿年前(qian)。这(zhei)个(ge)(ge)初始时(shi)刻及其(qi)以前(qian)的(de)(de)(de)(de)条件纯属猜测的(de)(de)(de)(de)范(fan)畴。虽然(ran)我们(men)(men)(men)将在下面几(ji)章(zhang)中碰到(dao)这(zhei)个(ge)(ge)问题，但通常(chang)的(de)(de)(de)(de)理论对此是(shi)(shi)闭口不(bu)谈的(de)(de)(de)(de)。早(zao)期宇宙(zhou)(zhou)(zhou)非常(chang)炽热、非常(chang)致密，同时(shi)也(ye)许还是(shi)(shi)很不(bu)规(gui)(gui)则的(de)(de)(de)(de)。这(zhei)种(zhong)不(bu)规(gui)(gui)则性(xing)和各向异性(xing)逐渐消(xiao)失了(le)。在大爆(bao)炸后数分(fen)钟内出现了(le)一(yi)(yi)些(xie)核反应，宇宙(zhou)(zhou)(zhou)中几(ji)乎所(suo)有的(de)(de)(de)(de)氦就(jiu)是(shi)(shi)在那时(shi)合(he)(he)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)。随(sui)着(zhe)膨(peng)胀(zhang)(zhang)的(de)(de)(de)(de)进行，宇宙(zhou)(zhou)(zhou)逐渐变冷(leng)(leng)，就(jiu)像(xiang)热空气边膨(peng)胀(zhang)(zhang)边冷(leng)(leng)却一(yi)(yi)样。宇宙(zhou)(zhou)(zhou)背景辐射就(jiu)是(shi)(shi)这(zhei)个(ge)(ge)早(zao)期时(shi)代(dai)的(de)(de)(de)(de)遗迹。人们(men)(men)(men)一(yi)(yi)直恰当地把它(ta)(ta)称为(wei)原(yuan)始火球(qiu)的(de)(de)(de)(de)剩余辐射。根据一(yi)(yi)种(zhong)宇宙(zhou)(zhou)(zhou)演化(hua)的(de)(de)(de)(de)方案，随(sui)着(zhe)宇宙(zhou)(zhou)(zhou)中物质(zhi)的(de)(de)(de)(de)冷(leng)(leng)却，它(ta)(ta)终将凝聚(ju)为(wei)原(yuan)星(xing)系(xi)。原(yuan)星(xing)系(xi)分(fen)裂(lie)为(wei)恒星(xing)并(bing)聚(ju)在一(yi)(yi)起(qi)成(cheng)(cheng)为(wei)范(fan)围(wei)广阔(kuo)的(de)(de)(de)(de)巨大集团。随(sui)着(zhe)头几(ji)代(dai)恒星(xing)的(de)(de)(de)(de)诞生和死亡，逐渐合(he)(he)成(cheng)(cheng)了(le)碳、氧、硅、铁(tie)这(zhei)类(lei)重元素。当恒星(xing)演化(hua)为(wei)红巨星(xing)时(shi)，它(ta)(ta)们(men)(men)(men)便抛出凝结为(wei)尘粒的(de)(de)(de)(de)物质(zhi)。从气体(ti)(ti)(ti)和尘埃云中形成(cheng)(cheng)了(le)新(xin)一(yi)(yi)代(dai)的(de)(de)(de)(de)恒星(xing)。至少(shao)在一(yi)(yi)个(ge)(ge)这(zhei)样的(de)(de)(de)(de)星(xing)云里，冷(leng)(leng)的(de)(de)(de)(de)尘埃坍缩(suo)成(cheng)(cheng)一(yi)(yi)个(ge)(ge)环绕恒星(xing)的(de)(de)(de)(de)薄盘。尘粒通过合(he)(he)并(bing)彼此附着(zhe)并(bing)累积成(cheng)(cheng)较大的(de)(de)(de)(de)物体(ti)(ti)(ti)，这(zhei)些(xie)物体(ti)(ti)(ti)在彼此引力的(de)(de)(de)(de)吸引下长大，形成(cheng)(cheng)从小行星(xing)到(dao)大行星(xing)的(de)(de)(de)(de)形形色色天(tian)体(ti)(ti)(ti)，这(zhei)些(xie)天(tian)体(ti)(ti)(ti)就(jiu)构(gou)成(cheng)(cheng)了(le)太(tai)阳系(xi)。

大爆炸理论引导我们追(zhui)溯整(zheng)个宇(yu)宙的(de)演化(hua)，从时(shi)间的(de)头几毫秒到(dao)地球的(de)形(xing)成和生命的(de)出现(xian)，再走向可能是无(wu)限的(de)未来。在考察这种演化(hua)的(de)细节之前(qian)，我们将在第二章中讨(tao)论科学宇(yu)宙论的(de)历史渊(yuan)源。

(选自《宇宙的起源与演化──大爆炸》，科学普及出版社1988年版